ЭЛЕКТРОВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК H05B3/26 

Изобретение относится к конструкциям электрических приборов местного горячего водоснабжения и может быть использовано в воздушно-отопительных агрегатах.

Известен электроводонагреватель, содержащий герметичный корпус с подводящим и отводящим воду патрубками, внутри которого размещены изолированные от корпуса электроды, к которым подводится напряжение сети. Нагрев воды в нем производится за счет протекания тока через воду.

Недостатками такого электроводонагревателя являются большие масса, габариты, зависимость мощности электроводонагревателя от электропроводности воды, которая может изменяться на 1-2 порядка (электрическое сопротивление речной воды ρ= 10-100 Ом˙ м, дистиллированной -10³-10⁴ Ом ˙м). Кроме того, время нагрева воды в таком электроводонагревателе велико и составляет 10-15 мин.

Известен также электроводонагреватель проточного типа, содержащий изоляционный корпус с подводящими и отводящим воду патрубками на его торцах, выполненный в виде комбинации последовательно связанных между собой кольцевыми перемычками сферических оболочек, на наружную поверхность которого нанесена электропроводящая пленка [1]
Недостатками такого электроводонагревателя являются низкая электробезопасность, обусловленная размещением пленочного нагревательного элемента на наружной поверхности корпуса, большие габариты и малое быстродействие, связанное с большим объемом герметичной полости корпуса при мощности проточного электроводонагревателя 18-21 кВт [2] Кроме того, при малом потоке воды и большой мощности возможен перегрев электроводонагревателя и выход из строя, что снижает надежность его работы.

В качестве прототипа выбран нагреватель потока газа [3] содержащий изоляционный герметичный корпус с подводящим и отводящим патрубками и размещенную внутри него электронагревательную секцию с нагревательным элементом, выполненным в виде гофрированной по двум координатным осям свернутой в спираль электропроводящей ленты с электроизоляционным покрытием на поверхности, концы ленты предназначены для присоединения к источнику питания.

Однако из-за большой поверхности нагрева, тяжелого температурного режима, обусловленного резкими перепадами температур при многократных включениях, всегда остается вероятность локальных нарушений изоляционного покрытия в результате отслаивания, растрескивания, шелушения и старения материала от времени, а также механического износа или повреждения изоляции из-за возможного наличия мелких, но твердых частиц в воде. Поэтому в таком виде устройство имеет низкую надежность и электробезопасность при использовании его для нагрева воды.

Целью изобретения является увеличение электробезопасности и надежности электроводонагревателя.

Цель достигается тем, что электроводонагреватель, содержащий герметичный корпус с подводящим и отводящим патрубками и размещенную внутри него электронагревательную секцию с нагревательным элементом, выполненным в виде гофрированной по двум координатным осям свернутой в спираль электропроводящей ленты с электроизоляционным покрытием на поверхности, концы ленты предназначены для присоединения к источнику питания, снабжен по меньшей мере одной дополнительной электронагревательной секцией, выполненной идентично указанной, при этом электропроводящие ленты секций соединены между собой последовательно, на их электроизоляционное покрытие нанесен металлический слой с антикоррозийным покрытием, причем металлический слой заземлен, а присоединение лент к источнику питания выполнено таким образом, что нулевая фаза его присоединена к концу спирали, находящемуся у отводящего патрубка, а фаза напряжения через контакты введенного первого реле и последовательно к ним подключенные контакты второго реле соединена с концом спирали, находящимся у подводящего патрубка, обмотка первого реле подключена к введенному датчику напора воды, установленному у подводящего патрубка, выполненного на основе электромагнитного расходомера, включающего трубопровод, электромагнит с полюсами вокруг трубопровода и электроды, расположенные в одном поперечном сечении с полюсами электромагнита и под углом 90^о к направлению магнитных силовых линий, а обмотка второго реле подключена к введенному датчику температуры, установленному перед отводящим патрубком.

Новизна и изобретательский уровень предлагаемого электроводонагревателя обусловлены тем, что перечисленные существенные отличительные признаки следующим образом влияют на решение поставленной задачи.

В предлагаемом электроводонагревателе может быть использован набор из различного количества однотипных нагревательных секций, при этом в нем обеспечено разделение фаз напряжения источника питания и вывод их с противоположных сторон корпуса к первой и последней секциям таким образом, что к концу спирали у подводящего патрубка подведена фаза напряжения, а к концу спирали у отводящего патрубка нулевая фаза напряжения источника питания. Поскольку у отводящего патрубка всегда наиболее тяжелый температурный режим, то постепенное уменьшение напряжения по спирали и подведение к концу спирали у отводящего патрубка нулевой фазы уменьшают опасность нарушения изоляции, а следовательно, увеличивают электробезопасность и надежность. При этом, выбрав то или иное количество электронагревательных секций, можно менять мощность электроводонагревателя и выбрать наиболее оптимальный режим мощности и электробезопасности, требуемые в тех или иных условиях эксплуатации электроводонагревателя.

Нанесение на электроизоляционное покрытие электропроводящей ленты нагревательного элемента металлического слоя, предохраняемого от коррозии любым антикоррозийным покрытием, и его заземление (заземлены также металлические защитные сетки на патрубках) позволяет любой пробой изоляции замкнуть на металлический заземленный слой, а не через воду, что также увеличивает электробезопасность устройства.

Выполнение датчика напора воды на основе электромагнитного расходомера, включающего трубопровод, электромагнит с полюсами вокруг трубопровода и электроды, расположенные в одном поперечном сечении с полюсами электромагнита и под углом 90^о к направлению магнитных силовых линий, и подключение электродов к обмотке реле (а не к счетчику, как в обычном электромагнитном расходомере), через контакты которого фаза напряжения источника питания подводится к концу спирали, находящейся у подводящего патрубка, приводит к тому, что поток воды, протекая через трубопровод, пересекает силовые линии магнитного поля, и в воде, как в движущемся проводнике, индуцируется ЭДС, пропорциональная площади и скорости пересечения магнитного поля, т.е. потоку воды и скорости ее движения. Эта ЭДС снимается с электродов и подается на обмотку реле. При этом датчик практически не влияет на напор воды, а управление датчиком осуществляется изолированно от воды, т.е. упрощается управление нагревателем, а следовательно, и электробезопасность его работы.

Снижению опасности перегрева воды служит простой по конструкции датчик температуры. Он предотвращает возможность пробоя изоляции при перегреве воды, а следовательно повышает электробезопасность и надежность предлагаемого электроводонагревателя.

На фиг. 1 изображена конструкция электроводонагревателя, общий вид, где показаны для простоты две электронагревательные секции и их соединение между собой; на фиг. 2 участок ленточного гофрированного нагревательного элемента в изометрии; на фиг. 3 схематическое изображение датчика напора воды, электроды которого подключены к обмотке первого реле; на фиг. 4 показано подключение электроводонагревателя к источнику питания.

В соответствии с фиг. 1 предлагаемый электроводонагреватель может содержать несколько одинаковых электронагревательных секций 5_1-n, соединение которых последовательно между собой образует единый модуль, имеющий корпус 1 с подводящим воду патрубком 2, который может быть расположен, например, на одном из торцов корпуса, крышку 3 с отводящим патрубком 4, перед одним из патрубков, например подводящим, устанавливается датчик 6 напора воды, при этом на патрубках с внешней стороны надеты металлические сетки 7,8, а на корпусе 1 и на крышке 3 с противоположных сторон электроводонагревателя болты 9, 10, установленные с герметизирующими прокладками 11, 12, для подведения напряжения источника питания к нагревательным элементам первой и последней секций. В качестве материала корпуса 1 и крышки 3 можно использовать, например, теплостойкие пластмассы типа АГ-4С.

Электронагревательные секции 5_1-n размещены по оси корпуса по всей его длине, при этом каждая секция состоит из двух спиралей, выполненных из тонкой гофрированной по двум координатным осям с образованием пуклевок электропроводящей ленты с двусторонним электроизоляционным покрытием, на которое нанесен дополнительно металлический слой, например напылением, и на него антикоррозионное покрытие (фиг.2).

В качестве материала ленты так же как и дополнительного металлического слоя, может быть взята нержавеющая теплостойкая сталь типа 1 х 18Н9Т толщиной 0,01-0,05 мм, допускающая глубокую вытяжку гофров, покрытая с двух сторон эластичным электроизоляционным покрытием, например суспензией фторопласта 4 МД толщиной 10-15 мкм с рабочей температурой 200^оС и электрическим сопротивлением ρ 10¹²-10¹³ Ом˙ м.

В качестве антикоррозийного покрытия может быть использован диэлектрический материал. Между витками спирального нагревательного элемента секций размещена изолирующая прокладка, например из сетки (ткани) из стекловолокна с высокой теплостойкостью и малым гидравлическим сопротивлением.

Гофры в виде пуклевок смежных слоев электропроводящей ленты нагревательных элементов секций, расположенные в шахматном порядке, образуют между витками спирали проточные каналы большого сечения с малым гидравлическим сопротивлением с турбулизаторами потока воды, интенсифицирующими процесс теплообмена между электронагревательными элементами секций и проточной водой. В каждой электронагревательной секции внутренние концы каждой из двух спиралей прикрепляются (например, привариваются) к металлическим осевым стержням 13, 14, имеющим винтовую резьбу с двух сторон. Внешние концы спиралей прикреплены (также, например, сваркой) к стержню 15, укрепленному на диэлектрической прокладке 16 со сквозными отверстиями. Между спиралями осевые стержни обеих спиралей соединены между собой диэлектрической муфтой 17. Стержни спирали первой электронагревательной секции 5₁ соединены с выводом болта 9 через металлическую муфту 18, а со следующей секцией через металлическую муфту 19, а стержни спирали последней секции 5_n соединены с выводом болта 10 через металлическую муфту 20. Поверхности стержней и металлических муфт изолированы от воды теплостойким слоем диэлектрика. Крышка 3 соединена с корпусом 1 винтами 21 через герметизирующую прокладку 22. Винты 21 заземлены и соединены с металлическим слоем, нанесенным на спираль.

Датчик напора воды, выполненный в соответствии с фиг. 3 и на основе расходомера серии ИР, РИ "Индукция", например, ИР-51, ИР-61, содержит трубопровод 24, который как втулка навинчивается на один из патрубков (на фиг. 1 на подводящий) между первой секцией электронагревательного элемента и защитной металлической сеткой 7. Трубопровод 24 (втулка) расположен между полюсами электромагнита 25. На трубопроводе 24 установлены в одном поперечном сечении с полюсами электромагнита, но под углом 90^о к направлению силовых магнитных линий электроды 26, подключенные к обмотке поляризованного первого реле 27. Для обеспечения нормальной работы электроды изолированы от стенок втулки 24, а внутренняя поверхность втулки 24 изолирована от воды на достаточном расстоянии (до трех диаметров втулки) по обе стороны от электродов. Якорь реле 28, втягиваясь, замыкает контакты реле 29, включая фазу напряжения источника питания на нагревательный элемент (фиг.4).

Датчик 23 температуры установлен перед отводящим патрубком и подключен к обмотке 30 второго реле. Датчик может быть выполнен, например, на основе терморезистора, включенного в базовую цепь транзисторного ключа, коллекторной нагрузкой которого является обмотка второго реле. Контакты 31 второго реле включены последовательно с контактами 29 первого реле к фазе напряжения источника питания электроводонагревателя.

Электроводонагреватель работает следующим образом.

При достижении поступающим через подводящий патрубок 2 напором воды порогового значения индуцируемая в воде ЭДС снимается двумя электродами 26 датчика 6 напора воды. Ток от электрода к электроду замыкается через обмотку поляризованного реле 27. Якорь реле 28 втягивается и замыкает контакты реле 29, включая фазу напряжения источника питания для подачи его к концу спирали первой электронагревательной секции 5₁. Поток воды, проходя между витками нагретого равномерно по всей поверхности спирального нагревательного элемента, за счет наличия пуклевок становится турбулентным, что приводит к интенсификации процесса передачи тепла от нагревательного элемента к проточной воде, снижению при заданной электрической мощности электроводонагревателя температуры нагревательного элемента. В случае уменьшения потока воды в электроводонагревателе до порогового значения контакты реле датчика напора воды размыкаются и отключают напряжение источника питания.

Датчик 23 температуры воды работает следующим образом.

При увеличении температуры воды выше порогового значения изменяется сопротивление терморезистора, включенного в базовую цепь транзисторного ключа, последний срабатывает и размыкает контакты второго реле 31, обмотка 30 которого включена в коллекторную цепь транзисторного ключа. Контакты второго реле, размыкаясь, отключают фазу напряжения источника питания от нагревательного элемента, и нагрев воды прекращается до тех пор, пока ее температура не станет ниже порогового значения.

Использование: изобретение относится к конструкциям электрических приборов для местного горячего водоснабжения и может быть использовано в воздушно-отопительных агрегатах. Сущность изобретения: электроводонагреватель содержит комбинацию из различного количества однотипных электроводонагревательных секций, нагревательный элемент которых находится внутри герметичного корпуса и выполнен в виде гофрированной по двум координатным осям электропроводящей ленты, свернутой в спираль, с электроизоляционным покрытием, на которое дополнительно нанесен металлический слой с антикоррозийным покрытием. Устройство снабжено терморегулятором. 4 ил.

ЭЛЕКТРОВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ, содержащий герметичный корпус с подводящим и отводящим патрубками и размещенную в нем электронагревательную секцию с нагревательным элементом, выполненным в виде гофрированной по двум координатным осям, свернутой в спираль электропроводящей ленты с электроизолязионным покрытием на поверхности, концы ленты предназначены для присоединения к источнику питания, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одной дополнительной электронагревательной секцией, идентичной основной, при этом электропроводящие ленты секций соединены между собой последовательно, на их электроизоляционное покрытие нанесен металлический слой с антикоррозийным покрытием, причем металлический слой заземлен, а присоединение лент к источнику питания выполнено таким, что нулевая фаза его присоединена к концу спирали, находящемуся у отводящего патрубка, а фаза напряжения через контакты введенного первого реле и последовательно к ним подключенных контактов введенного второго реле соединена с концом спирали, находящимся у подводящего патрубка, обмотка первого реле подключена к введенному датчику напора воды, установленному у подводящего патрубка и выполненному на основе электромагнитного расходомера, включающего трубопровод, электромагнит с полюсами вокруг трубопровода и электроды, расположенные в одном поперечном сечении с полюсами электромагнита и под углом 90^o к направлению магнитных силовых линий, а обмотка второго реле подключена к введенному датчику температуры, установленному перед отводящим патрубком.